Statik senkron kompanzatörün bulanık mantık temelli kontrolör ile

SAÜ Fen Bil Der 20. Cilt, 1. Sayı, s. 7-12, 2016
Statik senkron kompanzatörün bulanık mantık temelli kontrolör ile tasarımı
ve analizi
Yasin Genç1, Ertan Yanıkoğlu2
11.06.2015 Geliş/Received, 28.08.2015 Kabul/Accepted
ÖZ
Son yıllarda teknolojinin gelişmesiyle birlikte güç kalitesinin önemi artmıştır. Bundan dolayı güç kalitesi
problemlerinin giderilmesinde kullanılan esnek alternatif akım iletim sistemleri (FACTS) kullanımı yaygınlaşmıştır.
Bu çalışmada, güç kalitesi problemlerinin giderilmesinde sıklıkla kullanılan bir FACTS cihazı olan statik senkron
kompanzatör (STATCOM) hem geleneksel kontrol teorisi temelli P, PI kontrolörler ile hem de bulanık mantık temelli
kontrolör ile gerçekleştirilmiştir. MATLAB/Simulink ortamında tasarlanan bir test devresi ile geleneksel kontrol
teorisi temelli P,PI kontrolörler ile bulanık mantık temelli kontrolör karşılaştırılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre
bulanık mantık temelli kontrolör ile tasarlanan STATCOM, geleneksel kontrol teorisi temelli P, PI kontrolörler ile
tasarlanan STATCOM’ a göre daha iyi sonuçlar vermiştir.
Anahtar Kelimeler: STATCOM, FACTS, güç kalitesi, bulanık mantık, geleneksel kontrol teorisi
Analysis and design of static synchronous compensator based on fuzzy logic
controller
ABSTRACT
Recently with development of technology, the importance of power quality have been increased. Due to flexible
alternative current transmission systems (FACTS) are used in solve power quality problems, have been used
extensively. This study; a static synchronous compensator device (STATCOM) that is a FACTS device are used in
solving power quality problems, has designed according to both conventional control theory basis (P, PI controller)
and fuzzy logic basis controller. P-PI controller with conventional control basis and fuzzy controller have been
simulated in MATLAB/Simulink background through a designed test circuit and results have been compared.
According to obtained results,STATCOM that is designed through fuzzy logic controller gives better results than
devices that are designed according to conventional P-PI controller.
Keywords: STATCOM, FACTS, power quality, fuzzy logic, conventional control theory

Sorumlu Yazar / Corresponding Author
1
Sakarya Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Elektrik Elektronik Mühendisliği, Sakarya – yasin.genc@ogr.sakarya.edu.tr
Sakarya Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Elektrik Elektronik Mühendisliği, Sakarya- yanik@sakarya.edu.tr
2
Y. Genç, E. Yanık
Statik senkron kompanzatörün bulanık mantık temelli
kontrolör ile tasarımı ve analizi
1. GİRİŞ (INTRODUCTION)
Güç kalitesi problemi standart olmayan gerilim, akım ve
frekanstan dolayı oluşur. Güç kalitesi için gerilim
genliğinin sabit ve dalga şeklinin bozulmamış olması
önemlidir [1, 2].
Günümüzde güç dağıtım sistemlerinde birçok güç
kalitesi problemi oluşmaktadır. Bu güç kalitesi
problemlerine reaktif güç yükü, gerilim sarkması, gerilim
yükselmesi, harmonikler ve yüklerdeki dengesizlikler
örnek verilebilir. Güç sistemlerinde plansız genişleme ve
farklı tiplerde doğrusal olmayan yükler olmasından
dolayı gerilim ayarlaması oldukça zordur [3]. Bu durum
gerilim sarkması ve gerilim yükselmesi gibi birçok güç
kalitesi problemine neden olmaktadır
Güç kalitesi problemlerini giderilmesinde birçok yöntem
ve cihaz kullanılır. Son yıllardaki güç elektroniği
gelişmelerinden dolayı esnek alternatif akım iletim
sistemleri (FACTS) yaygınlaşmaktadır. FACTS
cihazları, yüksek akım ve gerilim kapasitesine sahip güç
elektroniği temelli bir sistem olup hat empedansı
kontrolü ve reaktif güç kompanzasyonu ile güç
sistemlerinde gerilim/akım kontrolüne imkân sağlar [4].
Statik senkron kompanzatör (STATCOM) güç kalitesi
problemlerini gidermede yaygın olarak kullanılan
sisteme paralel bağlanan ve evirici tabanlı ikinci nesil
FACTS cihazıdır [8, 9]. STATCOM güç sistemlerine
bağlandığı noktada hat gerilimini kontrol eder [5, 6, 7].
Literatürde yapılan çalışmalarda STATCOM için birçok
kontrolör tasarımı yapılmıştır [1, 3, 5, 7, 8, 10, 11, 12,
13]. Kontrolör tasarımında P, PI, PID, Bulanık mantık,
yapay sinir ağları kullanılmıştır.
Yapılan çalışmalarda yaygın olarak geleneksel kontrol
teorisi temelli PI-PID kontrolörler kullanılmıştır [1, 2, 3,
8, 11]. Bununla birlikte bulanık mantık vb. temelli
kontrolörlerde kullanılmıştır [5, 7, 10, 13]. Bu çalışmada
bulanık mantık temelli kontrolör STATCOM için
tasarlandı ve elde edilen sonuçlar geleneksel kontrol
teorisiyle karşılaştırıldı.
Şekil 1. STATCOM genel yapısı (The general structure
of STATCOM)
Gerilim kaynaklı evirici güç elektroniği temelli bir
devreden oluşur. Herhangi büyüklükte, frekans ve faz
açısına sahip sinüzoidal gerilimi üretir. Gerilim kaynaklı
eviriciler yaygın olarak ayarlanabilir hız devrelerinde ve
gerilim sarkma problemini azaltmada kullanılır. Evirici
ile doğru akım gerilimi çıkışta istenen gerilimi
oluşturmak için kullanılır [14].
STATCOM yapısı içerisindeki kontrolörün amacı ise
arızalı sistem altında, bağlandığı noktada sabit gerilim
genliğini sürdürmektir [14]. Kontrolör kısmı hem
geleneksel hem de bulanık mantık ile tasarlanmıştır.
Aktif gücün değişimi sadece doğru akım (DA)
geriliminin kontrolü için kullanılır. Evirici çıkış gerilimi
alternatif akım (AA) geriliminden ileride ise evirici AA
sistem için aktif güç üretir. Bu işlem için enerji DA enerji
depolama kaynağı tarafından sağlanır. Eğer evirici çıkış
gerilimi AA sitem geriliminden geride ise evirici AA
sistemden güç çeker. Bu durumda kondansatör sarj olur
[15].
3. STATCOM KONTROLÜ (CONTROL OF
STATCOM)
STATCOM kontrol yapısı içerisinde bulunan gerilim
ayarlama bölümünü MATLAB/Simulink ortamında PI
kontrol ile tasarlanmıştır. Ayrıca gerilim ayarlama
bölümü hem P kontrolör hem de bulanık mantık kontrol
ile tasarlanmıştır.
2. STATCOM MODELİ (MODEL OF STATCOM)
Temel olarak STATCOM, iki kısımdan oluşmaktadır.
Birinci kısım gerilim kaynaklı evirici ve ikincisi
kontrolördür [14]. Şekil 1’de STATCOM’un genel yapısı
gösterilmiştir.
8
3.1. Geleneksel Kontrolör Tasarımı ( Conventional
Controller Design)
Geleneksel kontrol teorisi temelli P, PI, PID
kontrolörlerin
endüstride
uygulamaları
oldukça
yaygındır [12]. Şekil 2’de STATCOM modeli içerisinde
geleneksel kontrol teorisi temelli kontrolörlerin
kullanımı gösterilmiştir. Hata sinyali sistemin gerilimi ile
referans geriliminin farkı ile elde edilir. Tasarım
aşamasında doğrusal olmayan sistemler için tasarımı
SAÜ Fen Bil Der 20. Cilt, 1. Sayı, s. 7-12, 2016
Statik senkron kompanzatörün bulanık mantık temelli
kontrolör ile tasarımı ve analizi
zordur
ve
bu
doğrusallaştırılmalıdır.
durumda
Y. Genç, E. Yanık
denklemler
Şekil 2. STATCOM için geleneksel kontrol teorisi
temelli kontrolör (Conventional control theory based
controller for STATCOM)
3.2. Bulanık Mantık Kontrolör Tasarımı (Fuzzy
Logic Controller Design)
Doğrusal olmayan sistemlerin matematiksel olarak
modellemek oldukça zordur. Sistemin ilk önce
doğrusallaştırılması gerekmektedir. Ancak bulanık
mantık ile doğrusal olmayan sitemler modellenebilir.
Bulanık mantık sistemler dilsel ifadelere dayalı olarak
oluşturulur. Oluşturulan bir algoritma, uzman bilgisine
dayanarak dilsel ifadelere çevrilir [16].
Şekil 3. STATCOM için bulanık mantık temelli
kontrolör (Fuzzy logic-based controller for STATCOM)
STATCOM için tasarlan bulanık mantık temelli
kontrolör için bir giriş ve bir çıkış üyelik fonksiyonu
tanımlanmıştır. Daha iyi sonuç vermelerinden dolayı
üçgen üyelik fonksiyonları seçilmiştir. Giriş ve çıkış için
üç tane üyelik fonksiyonu seçilmiştir. Bulanıklaştırma
olarak merkezi ağırlık yöntemi kullanılmıştır.
Oluşturulan kurallar deneme yanılma ve uzmanlık bilgisi
temel alınarak belirlenmiştir. Şekil 4. ve Şekil 5’te
sırasıyla giriş ve çıkış üyelik fonksiyonları gösterilmiştir.
Matematiksel modellerin veya diğer uzman sistemlerin
aksine, bulanık mantık kontrolörler insan bilgisini açık
bir ifadeyle temsil edebilirler [17].
Bulanık mantık sistemler doğrusal olmayan sistemlere
göre daha esnek giriş ve çıkış değerleri sağlamaktadır [7].
Bulanık mantığın bazı avantajları aşağıda sıralanmıştır.




Şekil 4. Giriş üyelik fonksiyonları (Input membership
functions)
Giriş ve çıkış değerleri dilsel ifadelerle
belirlenir
Doğrusal olmayan sistemler için matematiksel
ifadelere ihtiyaç duyulmaz
1 ve 0 gibi kesin ifadeler yoktur. Üyelik
dereceleri bu aralıkta değer alır.
Modelleme
yapılırken
uzman
kişinin
deneyiminden yararlanabilir.
Şekil 3’te STATCOM modeli içerisinde bulanık mantık
temelli kontrolörlerin kullanımı gösterilmiştir.
Şekil 5. Çıkış üyelik fonksiyonları (output membership
functions)
Şekil 5’te kısaltma ile tanımlanan çıkış üyelik
fonksiyonları aşağıda verilmiştir.



SAÜ Fen Bil Der 20. Cilt, 1. Sayı, s. 7-12, 2016
NK : Normal Küçük
N : Normal
NB : Normal Büyük
9
Statik senkron kompanzatörün bulanık mantık temelli
kontrolör ile tasarımı ve analizi
Y. Genç, E. Yanık
Giriş ve çıkış üyelik fonksiyonları verilen sistem için
toplam 7 kural oluşturulmuştur. Kural sayılarının
artırılması hassasiyeti artırır. Ancak hassasiyet artıkça
sistemin hata vermesi kolaylaşır. Tanımlanan 7 kural
aşağıda maddeler halinde verilmiştir.







1. Eğer
2. Eğer
3. Eğer
4. Eğer
5. Eğer
6. Eğer
7. Eğer
giriş
giriş
giriş
giriş
giriş
giriş
giriş
“Küçük” ise
“Küçük” ise
“Büyük” ise
“Büyük” ise
“Büyük” ise
“Orta”
ise
“Orta”
ise
çıkış
çıkış
çıkış
çıkış
çıkış
çıkış
çıkış
“NK
“N”
“NK”
“N”
“NB”
“NK”
“NB”
4. SİMÜLASYON SONUÇLARI (SIMULATION
RESULTS)
MATLAB/Simulink ortamında gerçekleştirilen devre
Şekil 6’da verilmiştir. Devre üç baradan oluşmaktadır.B1
ile B2 ve B2 ve B3 baraları arasında 90 km mesafe vardır.
B1 ve B3 arasında ise 90 km vardır. Devrede bulunan üç
yükten biri sabit diğerleri ise sistemde anlık gerilim
değişimi sağlamak için belirli aralıklarla açılıp
kapatılacaktır. Yük 1 ilk olarak sistemdedir ve 0.1 ve 0.2
saniye aralıklarında sistemden çıkarılacaktır. Yük 2 ise
ilk olarak sistemde değildir ve 0.3 ve 0.4 aralıklarında
sisteme girecektir. Yapılan simülasyon çalışmasının
amacı; yüklerden ve mesafeden oluşan gerilim düşümüne
ve yüklerin sisteme girmesi ve çıkmasıyla oluşan gerilim
değişimine STATCOM’un cevabını araştırmaktır.
Şekil 7. STATCOM'suz devrede yük geriliminin etkin
değeri (The effective value of the load voltage circuit
without STATCOM)
Şekil 8’de sisteme STATCOM bağlı devre modeli
verilmiştir.
Şekil 8. STATCOM bağlı devre (STATCOM connected
circuit)
4.1. P Kontrollü
STATCOM)
Şekil 6. MATLAB/Simulink ortamında tasarlanan devre
(MATLAB / Simulink-based circuit design)
STATCOM ilk olarak geleneksel kontrol teorisi temelli
P, PI kontrolör ile daha sonra bulanık mantık kontrolör
ile tasarlanmış ve sırasıyla sisteme bağlanmıştır. Şekil
7’de sistemde STATCOM bağlı olmadığı durumda
yükün (B3) etkin gerilimi gösterilmiştir. Gerilim değeri 1
pu değerinden düşük ve yüklerin devreye girmesi ve
çıkması ile yük geriliminde yükselme ve düşme olduğu
görülmektedir.
10
STATCOM
(P
Controlled
P kontrolör ile tasarlanan STATCOM devreye
bağlandığında yük geriliminde meydana gelen değişim
Şekil 9’da gösterilmiştir. P kontrollü STATCOM bağlı
iken yük gerilimi STATCOM’suz devreye göre 1 pu
değerine daha yakındır. Yük geriliminin etkin değeri
0.9571 pu’dan 0.9723 pu değerine yükselmiştir.
SAÜ Fen Bil Der 20. Cilt, 1. Sayı, s. 7-12, 2016
Statik senkron kompanzatörün bulanık mantık temelli
kontrolör ile tasarımı ve analizi
Y. Genç, E. Yanık
4.3. Bulanık mantık kontrollü STATCOM (Fuzzy
Logic Controlled STATCOM)
Bulanık mantık temelli kontrolör ile tasarlanan
STATCOM devreye bağlandığında yük geriliminde
meydana gelen değişim Şekil 11’de gösterilmiştir.
Bulanık mantık temelli kontrolör diğer üç duruma göre
daha iyi sonuçlar vermektedir. Yük gerilimde oluşan
salınım çok azalmış ve gerilim istenilen 1 pu değerine
ulaşmıştır.
Şekil 9. P kontrollü STATCOM devrede bağlı iken yük
geriliminin etkin değeri (pu) (P controlled STATCOM
effective value of the load voltage when connected to a
circuit (pu))
4.2. PI kontrollü
STATCOM)
STATCOM
(PI
Controlled
PI kontrolör ile tasarlanan STATCOM devreye
bağlandığında yük geriliminde meydana gelen değişim
Şekil 10’da gösterilmiştir. PI kontrollü STATCOM bağlı
iken yük gerilimi STATCOM’suz devre ve PI kontrollü
STATCOM bağlı devreye göre 1 pu değerine daha
yakındır. Yük geriliminin etkin değeri 0.9878 pu
değerine yükselmiştir. Ayrıca P kontrollü STATCOM
devreye bağlı iken yük geriliminde oluşan salınım
azalmıştır.
Şekil 11. Bulanık mantık kontrollü STATCOM devrede
bağlı iken yük geriliminin etkin değeri (pu)( Fuzzy logic
control effective value of the load voltage when
connected STATCOM circuit (pu))
5. SONUÇLAR (CONCLUSIONS)
Yapılan çalışmada STATCOM tasarımı hem geleneksel
kontrol teorisi ile hem de bulanık mantık kontrol teorisi
ile tasarlanmıştır. MATLAB/Simulink ortamında
tasarlanan devre ile STATCOM’un yük geriliminde
meydana gelen değişim gözlemlenmiştir.
Elde edilen sonuçlara göre bulanık mantık temelli
kontrolör ile tasarlanan STATCOM geleneksel kontrol
teorisi temelli kontrolör ile tasarlanan STATCOM’a göre
daha iyi ve tam istenilen değeri vermiştir. Tablo 1’de elde
edilen sonuçlar verilmiştir.
Şekil 10.PI kontrollü STATCOM devrede bağlı iken yük
geriliminin etkin değeri (pu)( PI controlled STATCOM
effective value of the load voltage when connected to a
circuit (pu))
Tablo 1. Sonuçlar (Results)
STATCOM’ P kontrolör
suz
devre bağlı yük
yük gerilimi gerilimi(pu)
(pu)
0.9571
SAÜ Fen Bil Der 20. Cilt, 1. Sayı, s. 7-12, 2016
0.9723
PI kontrolör
bağlı yük
gerilimi(pu)
0.9878
Bulanılk
mantık
kontrolör
bağlı yük
gerilimi
(pu)
1
11
Statik senkron kompanzatörün bulanık mantık temelli
kontrolör ile tasarımı ve analizi
Y. Genç, E. Yanık
7. TEŞEKKÜR (ACKNOWLEDGEMENT)
[7]
Bu çalışmanın hazırlanmasında beni yüksek lisans
eğitimim boyunca TÜBİTAK 2211 yurt içi lisansüstü
burs programı kapsamında destekleyen TÜBİTAK’a
teşekkür ederim.
[8]
EK 1 (ANNEX 1)
3 Fazlı Kaynak:
Gerilim
: 25kV /faz- faz arası
Faz açısı
: 19o
Empedans(R,L) : 0.625 ohms, 0.01657 H
[9]
[10]
Yük 1:
Aktif güç
Reaktif Güç
: 100 M W
: 0.8 MVar
[11]
Yük 2:
Aktif güç
Reaktif Güç
: 100 M W
: 1 MVar
[12]
Transformatör:
Çevirme oranı : 25 kV/600V
[13]
KAYNAKLAR (REFERENCES)
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
12
P. Rani, A. Sharma, “Power Quality Enhancement
By Improving Voltage Stability Using
DSTATCOM”, IJRET, vol. 03, no. 4, pp:368-373,
Apr-2014
C. Pradeep, I. Raghavendar, “Modelling and
Simulation of a D-STATCOM By Using Space
Vector Pulse Width Modulation”, SSRGIJEEE,vol. 2 , no. 1, pp: 1-7, Jun 2014
V. Nirmala, M. Venkata, A. “Chandra, P.
Prasad,Comparison of Three Leg and Four Leg
VSC DSTATCOM For Power Quality
Assesment”, IOSR-JEEE,Volume 6, Issue 5,pp :
43-49 Aug 2013
S. Balasubraaniyan, T.S. Sivakumaran, S.
Rathinambal, “Voltage Sag Mitigation in
Connected System Using Current Source
Converter Based DSTATCOM”, ACEEE, Vol. 4,
No. 2, pp:74-78,Aug 2013
S. Mohagheghi, S. Rajagopalan, “Hardware
Implementation of a Mamdani Fuzzy Logic
Controller For a Static Compensator in a
Multimachine Power System”, IEEE, vol. 45 ,
no:4, pp:1535-1544, July- August 2009
N. G. Hingorani, L. Gyugyi, “Understanding
FACTS Concepts and Technology of Flexible AC
Transmission Systems”, IEEE Press,1999
[14]
[15]
[16]
[17]
S. Mohagheghi, R. Harley, G. Venayagamoorthy,
“Modified Takagi –Sugeno Fuzzy Logiv Based
Controller for a Static Compensator in a
Multimachine
Power
System”,
IEEE,
2004,pp:2637-2642
V. Vishwakarma, N. Saxena, “Mitigation Of
Power Quality Problems By DSTATCOM”,
IJEER,Vol. 2, no. 2, pp:158-165, April –June
2014
B. Singh, A. Srivastava, Manisha, “Application of
FACTS Controllers”, JAS, 8-1,pp:1-24, 2014
T. Zaveri, B.R. Bhalja, N.Zaveri, “Simulation and
Analysis of Control Strategies For DSTATCOM”,
ACEEE, Vol. 1, No: 1, pp:52-56, July 2010
B.G. P. Reddy, V. O. Reddy, “Mitigation of Fault
in the Distribution System By Using Flexible
Distributed Static Compensator”, IJMER , Vol. 3,
no. 4, pp:2367-2373,July-Aug. 2013
S.G.Thakare, H.S. Dalvi, K.D. Joshi, “STATCOM
Based Fuzzy Controller For Grid Connected Wind
Generator”, IEEE,2009
L.Sarıbulut, i.Eker, M. Tümay, “İletim Hatlarında
Güç Akışının Bulanık Mantık Tabanlı Birleşik
Güç Akış Kontrolcüsü ile Denetimi”, Çukurova
Üniversitesi MühendisliK- Mimarlık Fakültesi 30.
Yıl Sepozyumu, Ekim 2008
S.B.Pandya, M.C. Chudasama, “Simulation Of DSTATCOM to Study Voltage Stability in
Distribution System”, IJSRD, Vol. 1, no. 3, pp:
510-512, 2013
F.A.Aksoy, T. Yalçınöz, “Bulanık Mantık
Kontrollü Statik Senkron Kompanzatörlerin
Tasarımı ve Uygulaması”, 12. Elektrik, Elektronik
Bilgisayar Biyomedikal Mühendisliği Ulusal
Kongresi ve Fuarı, 14-18 Kasım 2007, Eskişehir
C.C. Lee, “Fuzzy Logic in Control Systems: Fuzzy
Logic Controller, IEEE Transactions on Systems”,
Vol . 20, no. 2, pp:404-435,March-April 1990
Y.H. Song, A.T.Johns, “Applications of Fuzzy
Logic in Power Systems, Part 2: Comparison And
Integration with Expert Systems, Neural
Networks and Genetic Algorithms”, IEE Power
Engineering Journal , pp:185-190, August, 1998
SAÜ Fen Bil Der 20. Cilt, 1. Sayı, s. 7-12, 2016